基于零空间增强物理层安全的协作波束形成方法

摘要

本发明公开了一种基于零空间增强物理层安全的协作波束形成方法，主要解决现有技术无法保证中继网络存在多个窃听节点时的安全传输问题。其步骤为：1）源节点给所有中继节点发送机密信息，中继对接收信号加权处理后转发给目的节点和窃听节点；2）计算目的节点和窃听节点的接收信噪比；3）根据接收信噪比，计算目的节点的安全速率；4）根据中继加权处理后的信号，计算中继总功率和自身功率的消耗，获得功率约束；5）计算窃听节点等效信道矩阵的零空间，获得空间约束；6）在满足功率约束和空间约束下，设计最优波束成形权向量；7）将最优波束成形权向量分配给各中继节点。本发明能有效提高存在多个窃听节点的中继网络的安全速率。

主权项

1.一种基于零空间增强物理层安全的协作波束形成方法，包括以下步骤：1）协作中继在两阶段进行传输：1a）在第一阶段，源节点向所有的中继节点广播机密信息，中继节点接收的信号为y_r；1b）在第二阶段，中继节点对接收到的信号y_r进行加权处理，得到待转发的信号x_r(w)＝D(y_r)w，其中w为需要设计的中继波束成形权向量，D(·)表示将向量变换成对角矩阵；1c）目的节点和窃听节点接收中继转发来的信号，记目的节点接收的信号为y_d(w)，记第j个窃听节点接收的信号为y_e,j(w)，E表示含有所有窃听节点的集合，M表示窃听节点的个数；2）根据上述接收信号y_d(w)和y_e,j(w)，计算目的节点的接收信噪比γ_d(w)和第j个窃听节点的接收信噪比γ_e,j(w)；3）根据上述接收信噪比γ_d(w)和γ_e,j(w)，计算目的节点的安全速率$R_s\left(w\right)=\frac{1}{2}\underset{j}{\min }\{\log (1+{\gamma }_d\left(w\right))-\log (1+{\gamma }_{e,j}\left(w\right))\};$4）根据步骤1b）中的待转发信号x_r(w)，计算中继节点总功率的消耗||x_r(w)||²和第i个中继节点自身功率的消耗|x_r,i(w)|²，并将||x_r(w)||²≤P_tot和|x_r,i(w)|²≤P_i作为设计中继波束成形权向量的功率约束条件，其中x_r,i(w)表示x_r(w)的第i个元素，P_tot是所有中继节点总的功率阈值，P_i是第i个中继节点自身的功率阈值，该P_tot和P_i均由实际协作通信系统设定产生，C表示含有所有中继节点的集合，K表示窃听节点的个数；5）计算所有窃听节点等效信道矩阵的零空间U，将w＝Uv作为设计中继波束成形权向量的空间约束条件，利用该空间约束w将上述R_s(w)、||x_r(w)||²和|x_r,i(w)|²改写为R_s(v)、||x_r(v)||²和|x_r,i(v)|²，并将对w的设计转化为对v的设计；6）在满足上述||x_r(v)||²≤P_tot和|x_r,i(v)|²≤P_i的约束下，设计向量v，使得安全速率R_s(v)最大化，得到最优设计v^*，并根据步骤5）中w＝Uv的空间约束，得到最优波束成形权向量为w^*＝Uv^*；7）根据最优波束成形权向量w^*，将w^*中的第i个元素分配给第i个中继节点。